AT507629A1 - Vorrichtung zur erzeugung von plasma - Google Patents

Description

  Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma mit zumindest in Strömungsrichtung eines Gases für das Plasma hintereinander angeordneten Elektroden. 

  
Ein Plasma weist sehr hohe Temperaturen auf, so dass Reaktionen schnell und teilweise unter Verschiebung der chemischen Gleichgewichte durchgeführt werden können. 

  
Gasmischungen mit Kohlenmonoxid, gegebenenfalls mit Wasserstoff, sind in der Technik bereits seit langer Zeit als energiereiche Gase bekannt. Das so genannte Generatorgas wird in grossen Öfen gewonnen, in welchen eine ein bis drei Meter hohe Koksschicht vorliegt, wobei von unten Luft durchgeblasen wird. Im unteren Teil dieser Schicht verbrennt der Kohlenstoff zu Kohlendioxid, eine exotherme Reaktion. Die Koksschicht wird hierbei auf über 1.000[deg.]C erhitzt, so dass das gebildete Kohlendioxid wird in Kohlenmonoxid übergeleitet. Es liegt hier eine endotherme Reaktion vor. 

  
Zur Erlangung einer Mischung aus Kohlenmonoxid mit Wasserstoff ist es bekannt, Wasser auf eine heisse Kohlenstoffschicht zur Einwirkung zu bringen. Bei hohen Temperaturen entsteht dabei Kohlenmonoxid und Wasserstoff. 

  
Das Gleichgewicht zwischen Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (Boudouard-Gleichgewicht) ist in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei ca. 400[deg.]C liegen 100 Vol.-% C02, hingegen bei 1.000[deg.]C liegen 100 Vol.-% Kohlenmonoxid vor. Zu beachten ist allerdings, dass diese Gleichgewichte sich jeweils, insbesondere bei tiefen Temperaturen, nur langsam bzw. mit Katalysatoren in ausreichender Geschwindigkeit einstellen können.  Nachteilig bei den Reaktionen für das Wassergas bzw. Generatorgas ist, dass zur Wärmegewinnung, also für die Temperaturen von 1.000[deg.]C und mehr, Kohlenstoff verbrannt wird. 

  
Zur Gewinnung einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist es beispielsweise aus der französischen Patentanmeldung 2 578 263 bekannt, in einem grossen zylindrischen Behälter ein Oxidationsmittel und einen Brennstoff vorzulegen. In diesem Behälter wird ein Plasmastrahl geleitet, so dass eine Umwandlung in Kohlenmonoxid, und so das Oxidationsmittel Wasser aufweist, und Wasserstoff erhalten werden kann. 

  
Schlackenstoffe u. dgl. werden in einem darunter befindlichen Behälter, und zwar einer Verbrennungszone, abgeschieden, wobei die Gase in einem Seperator gereinigt und die Wärme über einen Wärmetauscher gewonnen werden kann. 

  
Es liegt bei der Vorrichtung gemäss der französischen Patentanmeldung eine besonders komplexe Ausbildung vor, die gleichzeitig ein hohes Volumen beansprucht, wobei innerhalb der Vorrichtung, da die Reaktionsräume einen sehr grossen Durchmesser aufweisen, eine Temperaturdifferenz vorliegt. Die Bildung von dem unerwünschten Kohlendioxid wird durch die niedrigen Temperaturen an den Randbereichen gefördert. 

  
Aus der WO 2004/041974 wird eine weitere Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Substanzen bekannt, wobei die Elektroden in Strömungsrichtung des Plasmagases hintereinander angeordnet sind. Jedoch liegt auch hier aufgrund der spezifischen Anordnung der Elektroden ein grossvolumiger Raum vor, so dass innerhalb des Reaktionsgefässes in den Randzonen die Bildung von Kohlendioxid gefördert wird.  - 4 

  
Der vorliegenden Erfindung ist zur Aufgabe gestellt, eine besonders kompakte Vorrichtung zur Gewinnung von einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu schaffen, wobei gleichzeitig ein möglichst geringer Anteil an Kohlendioxid erhalten werden soll. 

  
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma mit zumindest in Strömungsrichtung eines Gases für das Plasma hintereinander angeordneten Elektroden, einem Strömungskanal für das Gas, welcher zumindest eine Zuleitung für Gase aufweist und einem Abscheider und/oder Kühler, besteht im Wesentlichen darin, dass eine Elektrode im Bereich des Beginns des Strömungskanals und eine weitere im Bereich des Endes des Strömungskanals vorgesehen sind, und gegebenenfalls zwischen diesen zumindest eine weitere Elektrode ist, und in den Strömungskanal zumindest eine weitere Zuleitung für Fluide, z. B. Gase, Flüssigkeiten und/oder Aerosole, mündet, und die Elektroden im Bereich des Beginns und des Endes des Strömungskanals ringförmig, insbesondere kreisringförmig, sind, und der Strömungskanal durch diese geführt, gegebenenfalls umschlossen, ist. 

  
Durch die Anordnung der Elektroden am Beginn bzw. am Ende des Strömungskanals kann ein besonders langgestreckter Strömungskanal für das Plasma erreicht werden, womit eine entsprechende Dimensionierung und damit auch eine möglichst einheitliche Temperatur innerhalb des Strömungskanals erreicht werden kann. 

  
Durch die weitere Elektrode kann der Strömungskanal noch schlanker gestaltet werden, so dass einerseits die Geschwindigkeit des Gases im Strömungskanal erhöht werden kann, und damit erneut eine möglichst geringe Dimensionierung im Durchmesser erreicht werden kann.  - 5 - 

  
Über die weitere Zuleitung von Fluiden im Strömungskanal kann beispielsweise die Konzentration von kohlenstoffhaltigen Substanzen aber auch Wasserdampf erhöht werden, so dass der Wirkungsgrad erhöht wird. 

  
Sind die Elektroden im Bereich des Beginns und des Endes des Strömungskanals ringförmig, insbesondere kreisringförmig, und ist der Strömungskanal durch diese geführt, so kann ein besonders gleichmässiges Plasma erreicht werden, wobei auch hier der Durchmesser des Strömungskanals besonders gering gehalten werden kann. 

  
Ist zumindest eine, insbesondere jede, Zuleitung der Fluide in den Strömungskanal geneigt zu einer Längserstreckung des Strömungskanals, insbesondere unter einem Winkel kleiner 90[deg.] zu einer Normalebene, so kann eine Stabilisierung des Plasmastrahls durch die Rotation der eingeleiteten Gase bzw. Fluide erreicht werden, so dass keine zusätzlichen Massnahmen zur Strömungsstabilisierung erforderlich sind. 

  
Ist die Elektrode zu Beginn des Strömungskanals und die weitere Elektrode elektrisch isoliert zu der am Ende des Strömungskanals, so kann eine Zweiteilung des Raumes, in welchem das Plasma erzeugt bzw. vorliegt, erreicht werden, womit eine längere Erstreckung des Strömungskanals bewirkt werden kann. 

  
Liegt nach der weiteren Zuleitung eine Verengung des Strömungskanals vor, so wird in diesem Bereich eine höhere Geschwindigkeit des Gases und damit ein besserer Wärmeaustausch erreicht.  - 6 

  
Ist der Strömungskanal frei von Beschichtungen, so kann bei besonders hohen Temperaturen auch störungsfrei gearbeitet werden. 

  
Sind die Elektroden, der Strömungskanal sowie die Zuleitungen zumindest teilweise in einem massiven metallischen Körper angeordnet, so liegt eine besonders massive Ausführungsform vor, die mechanischen Beanspruchungen besonders gut gewachsen ist. 

  
Ist eine Zuleitung für Fluide, z. B. für Gase und/oder Aerosole, im Bereich der Elektrode am Ende des Strömungskanals vorgesehen, so kann noch ausserhalb des Raumes, in welchem das Plasma gebildet wird, eine Nachreaktion erfolgen, da die Temperaturen auch hier noch oberhalb von 1.000[deg.]C zu liegen kommen, so dass Kohlenmonoxid und auch gegebenenfalls Wasserstoff gebildet werden kann. 

  
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert. 

  
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma bzw. zur Umwandlung in Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht aus zwei metallischen Drehteilen 1 und 2. Beide Drehteile sind voneinander elektrisch isoliert, so dass die Elektrode 4 und die nachgeführte Elektrode 10 am Beginn des Strömungskanals 3 und weitere Elektrode 5 gegenüber der Elektrode 6 am Ende des Strömungskanals 3 elektrisch isoliert sind. Durch die Zuleitungen 7, 8 und 9 können Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und andere Kohlenstoff aufweisende Produkte aber auch zusätzlich Wasserdampf eingeführt werden. Über die Zuleitung 9 werden Wasserdampf oder inertes Gas, z. B. Stickstoff, eingeleitet.  - 7 - 

  
Im Strömungskanal bildet sich zwischen der Elektrode 10 am Beginn und der Elektrode 6 am Ende des Strömungskanals ein Unterdruckkegel aus, so dass ein Kurzschluss zwischen den Elektroden vermieden werden kann. 

  
Der Strömungskanal 3 weist eine Längserstreckung 1 von 30 mm bis 200 mm und einen Durchmesser von 6 mm bis 12 mm auf, indem das Plasma in Richtung a strömt. Aufgrund des geringen Durchmessers des Strömungskanals liegt nur eine geringfügige Temperaturdifferenz zwischen der Mitte des Strömungskanals und den Randbereichen desselben vor. 

  
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert. 

  
Es wird ein Gas mit 100 Liter Luft pro Minute, 6 m<3> Wasserdampf pro Minute, in den Strömungskanal eingebracht. Die Spannung des Stroms beträgt 210 Volt bis 220 Volt. Im Plasmakanal strömt das Gas mit einer Geschwindigkeit von 30 mm bis 200 mm pro Sekunde. Da austretende Gas weist Wasserstoff- und Sauerstoffradikale und Radikale dieser sowie 30 Vol.-% bis 40 Vol.-% CO, 51 Vol.-% bis 70 Vol.-% Wasserstoff, bis 6 Vol.-% C02 und bis 3 Vol.-% CH4 auf. 

  
Patentansprüche:

Claims (8)

- 8 P a t e n t a n s p r ü c h e :

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma mit zumindest in Strömungsrichtung eines Gases für das Plasma hintereinander angeordneten Elektroden (5, 6, 10), einem Strömungskanal (3) für das Gas, welcher zumindest eine Zuleitung (7, 8, 9) für Gase aufweist und einem Abscheider und/oder Kühler, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (4, 10) im Bereich des Beginns des Strömungskanals (3) und eine weitere (6) im Bereich des Endes des Strömungskanals (3) vorgesehen sind, und gegebenenfalls zwischen diesen zumindest eine weitere Elektrode (5) ist, und in den Strömungskanal (3) zumindest eine weitere Zuleitung (7, 8, 9) für Fluide, z. B.

Gas, Flüssigkeiten und/oder Aerosole, mündet, und zumindest eine Elektrode (4, 6, 10) im Bereich des Beginns und des Endes des Strömungskanals (3) ringförmig, insbesondere kreisringförmig, ist, und der Strömungskanal (3) durch diese geführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, insbesondere jede, Zuleitung (7, 8, 9) für Fluide in den Strömungskanal (3) geneigt zu einer Längserstreckung (1) des Strömungskanals (3), insbesondere unter einem Winkel kleiner 90[deg.] zu einer Normalebene, mündet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Beginn des Strömungskanals (3) im Bereich der Elektrode (4, 10) und/oder nach dieser eine Zuleitung (7, 8, 9) für Gas für das Plasma mündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (4, 10) zum Beginn des - 9

Strömungskanals (3) elektrisch isoliert zu der am Ende des Strömungskanals (3) und der weiteren Elektrode (5) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der weiteren Zuleitung (8) eine Verengung des Strömungskanals (3) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (3) frei von Beschichtungen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5, 6, 10), der Strömungskanal (3) sowie die Zuleitung (7, 8, 9) zumindest teilweise in einem massiven metallischen Körper angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuleitung (9) für Fluide, z. B. Gase und/oder Aerosole, im Bereich der Elektrode (6) am Ende des Strömungskanals (3) vorgesehen ist.

FÜR D. f 5.

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